某233 m跨长拱形干煤棚结构设计

张勇豪,蒋永扬,金 枝,赵雪霞

(浙江中南建设集团钢结构有限公司,浙江 杭州 310052)

随着社会对能源、基础设施需求的日益增加,电力、煤炭、水泥等行业中用于储煤、储料的大型干煤棚结构设施得到了很大的发展和应用。而干煤棚的发展可以追溯到20世纪初,当时的露天煤场容易受到环境影响,煤尘会随着风四处扩散,对周围的环境造成污染。为解决这个问题,人们采用封闭储煤仓代替了露天储煤场,对燃煤进行加盖,防止雨淋和扬尘,使燃煤堆放符合环保及建设用地要求。

本文以某干煤棚项目为背景,介绍了一种超大跨度干煤棚结构设计方案,并与传统的干煤棚结构设计方案进行比较,通过数值模拟数据来验证新设计方案的合理性。

1 工程概况

该煤场建筑纵向长度272 m,横向跨度233 m,拟建干煤棚占地面积约64 308 m2。建筑内部有两台斗轮机同时进行工作,每台斗轮机的横向作业宽度约94.60 m,作业高度约30.51 m,建筑内部工艺界面图见图1。该工程结构的安全等级为二级,结构的设计使用年限为50年。结构火灾危险性为丙类,耐火等级为二级,耐火极限为1.0 h。

图1 建筑内部工艺界面图(mm)

2 结构选型

干煤棚结构的设计首先要满足相关设备对操作空间的要求,以便根据实际情况确定合理的结构方案。其中,斗轮机的工艺界面是需要考虑的重点,斗轮机工作时,需满足上部结构可以绕回转中心旋转,以实现设备在一定角度范围内堆、取料作业；同时内部车可以沿轨道行走,从而实现设备在整个料场范围内作业[1]。通常采用正放四角锥双层网壳结构形式[2],该结构形式优美、用钢量低、刚度较好、传力形式简洁。根据《空间网格结构技术规程(JGJ 7—2010)》[3]的规定,该网壳结构的厚度宜取宽度的1/20～1/50。

2.1 传统结构形式

1)传统结构形式一

将煤棚设计成两跨相同的三心圆双层网壳结构,见图2。经初步选型可得相关几何参数如下：跨度113 m,厚度3.8 m,拱高40.52 m,三心圆半径中大圆半径为134.45 m，小圆半径为26.228 m。

图2 传统形式一网壳结构剖面图(mm)

2)传统结构形式二

将煤棚设计成单跨三心圆双层网壳结构,见图3。经初步选型可得相关几何参数如下：跨度233 m,厚度3.75 m,拱高36.57 m,三心圆半径中大圆半径为273.57 m，小圆半径为28.429 m。

图3 传统形式二网壳结构剖面图(mm)

2.2 新型结构形式

在传统结构形式二的基础上,在网壳结构跨中设置1道Y型支撑。该Y型支撑结构由上部V型钢架和下部混凝土柱构成,V型钢架立于混凝土柱上,整体结构的剖面和轴侧图见图4。

图4 中间设Y型支撑网壳结构剖面图(mm)

2.3 结构形式对比分析

1)传统结构形式一与新型结构形式对比

为满足斗轮机空间使用要求,传统结构形式一落地拱脚的角度比单铰拱网壳结构所需的落脚角度更大,且结构拱高也有所增加,同时还需考虑两网壳结构中部积灰、积雪等荷载的影响,使得该结构形式所需用钢量增加,且结构中部的天沟处理相对也较繁琐,与新型结构结构形式相比经济性较差。

2)传统结构形式二与新型结构形式对比

当采用传统结构形式二设计时,正放四角锥双层网壳结构虽能满足结构大跨度的要求,但因结构跨度过大会导致结构挠度及杆件应力均难以满足设计要求,结构设计存在死循环(即增大杆件截面,会导致重量增加,从而增大挠度),结构设计难以实现。

而新型结构形式能够有效地减少网壳中间的最大竖向位移,在保证结构大跨度要求的同时,相比于普通的结构设计,大大地提高了结构内部空间利用率,并节省了用钢量及施工成本。

3 结构计算与分析

为更好地研究传统结构形式二与新型结构形式的差异性,特选择相同的几何参数和杆件建立有限元计算模型进行对比分析如下。

3.1 结构建模

在结构设计软件中建立结构模型,进行计算分析,选择杆件的规格共15种,为：Ф75.5×3.75，Ф102×4，Ф114×4，Ф127×4，Ф140×4，Ф152×4，Ф159×6，Ф159×8，Ф180×8，Ф180×10，Ф219×10，Ф219×12，Ф219×14，Ф245×12，Ф245×14。计算模型见图5、图6。

图5 传统形式二网壳结构计算模型(不含山墙面)

图6 新型结构形式网壳结构计算模型(不含山墙面)

3.2 荷载工况及组合

结合工程情况,并参照《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》[4]和《结构抗震设计规范(GB 50011—2010)》[5]中的相关规定,需考虑的荷载工况如下：①恒荷载 0.30 kN/m2(屋面板+檩条自重,承重结构重量程序自动计算)；②活荷载 0.30 kN/m2(用于主承受结构设计)；0.50 kN/m2(用于檩条设计)；③雪荷载 基本雪压 0.45 kN/m2(50年一遇)；④风荷载 基本风压0.40 kN/m2(50年一遇)；地面粗糙度B类；⑤地震荷载 抗震设防烈度为7度；⑥温度作用 累年年平均气温为13.1℃,累年极端温度为-25.1℃～42.8℃。

共考虑156种荷载组合,为方便研究,现选取5种典型荷载组合进行数据分析,所选荷载组合见表1。

表1 典型荷载组合情况

3.3 计算结果分析

两种结构形式下的结构竖向最大位移值及典型杆件应力比对比数据见表2、表3。

表2 两种结构形式的最大位移值 mm

表3 典型杆件在两种结构形式中的应力比

由表2、表3可得：①采用传统结构形式二设计时,在组合4作用下,网壳结构位移最大为3 422.08 mm>l/250=932 mm(容许挠度值),在组合2作用下,结构杆件应力比最大为7.69>0.85,无法满足《空间网格结构技术规程(JGJ 7—2010)》中的相关设计要求。②采用新型结构形式设计时,在组合4作用下,网壳结构位移最大为323.25 mm

经对比分析可得：在设计条件(构件尺寸、截面型号、材质、荷载条件等)完全相同的前提下,传统结构形式与新型结构形式相比,典型构件的最大应力比由7.69下降到0.78,结构竖向位移最大值由3 422.08 mm下降到299.25 mm,应力比减小近10倍,最大竖向位移值减小约12倍,充分体现出新型结构形式在承载能力和刚度上的优势。

图7 传统方案设计结构

图8 新型方案设计结构

4 结 语

本文阐述的新型结构形式成功地解决了某233 m跨长的干煤棚结构因跨度过大引起挠度过大，在使用空间的刚需下难以设计的问题。通过在传统结构形式跨中加设Y型支撑的方式,将单跨233 m转变为2跨116.5 m,同时,考虑到下部使用空间,在一定高度范围内设置混凝土柱,在混凝土柱上部设置V型钢架支撑,增加上部结构与下部结构的连接点,既不影响结构空间的使用,也能为上部结构提供多个支撑点,不仅可以减小网架结构的挠度,还能克服局部杆件内力集中的问题,也能降低用钢量,可保证结构杆件应力及结构挠度均满足《钢结构设计规范(GB 50017—2003)》要求。该设计方案可以为同类建筑结构设计提供参考。